Los avances de la química y su impacto en el deporte · Matemáticas Biología Biomedicina...

07/06/2011

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Los avances de la químicay su impacto en el deporte

Bernardo Herradón García

Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Facultad de QuímicaUniversidad de Castilla La ManchaCiudad Real, 6 de junio de 2011

¿Qué causa todo esto?

1)Nos proporciona una vida más larga.

2) La vida es más saludable. Hace medicinas que curan nuestras enfermedades, piezas de recambio para nuestro cuerpo, palia dolores y achaquesdolores y achaques.

3) Nos suministra agua que podemos beber, usar para nuestra higiene o regar nuestras plantaciones.

4) Nos ayuda a tener más y mejores alimentos.

5) Cuida de nuestro ganado.g

6) Nos proporciona energía: calor en invierno, frescor en verano, electricidad para la iluminación, nos permite circular en vehículos.

http://www.losavancesdelaquimica.com/http://www.madrimasd.org/blogs/quimicaysociedad/http://educacionquimica.wordpress.com/

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¿Qué causa todo esto?

7) Hace que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejora nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuye en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayuda a mantener frescos nuestros alimentos; y prácticamente nos proporciona todos los artículos que usamos a y prácticamente nos proporciona todos los artículos que usamos a diario.

8) Nos permite estar a la última en tecnología: el ordenador más potente y ligero; el móvil más ligero; el sistema más moderno de iluminación, el medio de transporte adecuado; el material para batir marcas deportivos; y muchas aplicaciones más.


La respuesta:

La ciencia y, especialmente, la química.


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La Química estudia las transformaciones de la materia. Es decir, como una sustancia se convierte en otra.

¿Qué es la Química?

La materia que conocemos está formada por partículas más pequeñas: las moléculas, que están formadas por átomos.

Las moléculas son los componentes básicos de la materia que nos rodea.

Por lo tanto, todo es Química.


Hidrógeno (H)

Oxígeno (O)

OHO

HOOH

OH

O

OH

O

El lenguaje de los químicos: las fórmulas y los nombres

Carbono (C)OH

HO OH

Sacarosa: -D-glucopiranosil(1-2)- -D-fructofuranósido

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LA QUÍMICA CREA SU PROPIO OBJETO

Otras �“visiones�” sobre la Química

Papel de la síntesis química (capacidad de obtener sustancias químicas):químicas)

Sustancias naturales (productos naturales)

Sustancias no-naturales (interés teórico o práctico) con mejores propiedades que las naturales

LA QUÍMICA CREA SU PROPIO OBJETO


La Química es como el arte Por ambos caminos obtienes cosas La Química es como el arte. Por ambos caminos obtienes cosas. Con la Química puedes cambiar el orden de los átomos y crear

realidades que no existían.

Jean-Marie Lehn (Premio Nobel de Química, 1987)Diario Vasco (Internet), 29-septiembre-2010


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LA QUÍMICA: LA CIENCIA CENTRAL, ÚTIL Y CREATIVA



La Química y su relación con otras Ciencias

Ciencia de losalimentos

CienciasMedioambientales

Toxicología

QUÍMICA

BioquímicaBiología molecular Física

GeologíaCiencias de la tierra

AstrofísicaAgriculturaVeterinaria

alimentos

Matemáticas

BiologíaBiomedicinaMedicina

Biología molecular

Ciencias de los materialesNanociencias

Nanotecnología

Ingeniería

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LA QUÍMICA, ENTRE LA FÍSICA Y LA BIOLOGÍA


QUÍM CBIOLOGÍA FÍSICAQUÍMICABIOLOGÍA FÍSICA

¿Qué significa?

Objeto de estudio

Métodos de estudioMétodos de estudio

Aproximación científica

Aspectos filosóficos

La Química entre la Biomedicina y la Ciencia de los Materiales

QUÍMICABIOLOGÍA FÍSICA

BIOMEDICINA MATERIALES

MedicinaBiología humanaBiología del organismoFisiologíaInmunologíaNeurocienciaE d i l í

QuímicaFísicaNanocienciaNanotecnologíaIngenieríaMatemáticasEndocrinología

BioquímicaBiología celularBiología molecularQuímicaMaterialesFísicaMatemáticas

Matemáticas

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LA QUÍMICA (LOS QUÍMICOS): LA CIENCIA (LOS CIENTÍFICOS) UNIVERSALES


LA QUÍMICA, LA CIENCIA DE LO COTIDIANO


Podemos verdaderamente decir que el alcance de la Química y sus aplicaciones son interminables (Leo H. Baekeland, 1932)

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Vida más larga.

Vida más saludable (curamos enfermedades, hacemos biomateriales, paliamos dolores y achaques).

Beneficios de la Química para el ser humano

Potabilización de agua.

Mejores alimentos. Fertilizantes, abonos, protectores de cosechas, cuidado del ganado.

Producción de energía: carbón, petróleo, hidrógeno.

Nuestra vida cotidiana: higiene, limpieza, cosméticos, ocio, deporte, seguridad vestidos tintes seguridad, vestidos , tintes, �…..

Alta tecnología: electrónica, ordenadores, nanomateriales,�…..


LA QUÍMICA Y EL DEPORTE


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Química y Deporte

�“más rápido, más alto, más fuerte�”(Pierre de Coubertin)

Desarrollo de materiales(Química)

Velocidad

Precisión

MATERIALES DEPORTIVOS

Aumento del rendimientoCuidado de la salud del deportistaControl del dopaje

Precisión Protección y Seguridad

Definición de la RAE de “deporte”

deporte.(De deportar).1. m. Actividad física, ejercida como juego o competición, cuya práctica supone entrenamiento y

sujeción a normas.2. m. Recreación, pasatiempo, placer, diversión o ejercicio físico, por lo común al aire libre.

Las capacidades del competidor, tanto físicas, mentales, como de equipamientodeterminan el resultado

El deporte estimula la producción de serotonina (“hormona del placer”)


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Antigua China (~4000 a.C.): - gimnasia

Antiguo Egipto (a partir del 3000 a.C): natación

Historia del deporte

- natación- pesca- lanzamiento de jabalina - salto de altura- lucha

Antigua Persia (a partir del 1500 a.C.): - arte marcial iraní (Zourkhaneh)- polopolo- justa

Antigua Grecia (Olimpia, 776 a.C.): Primeros Juegos Olímpicos

Historia del deporte

Pierre de Coubertin (Atenas, 1896): Juegos Olímpicos Modernos

Citius, altius, fortius(más rápido, más alto, más fuerte)

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CIENCIATECNOLOGÍA

Más rápido, más alto, más fuerte(Pierre de Coubertin)

Más flexible, más ligero, más fuerte(Química)

DEPORTE


La química (bioquímica) del deportista:

b lMetabolismo

Energía


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OxigenoCarbonoHidrogenoNitrógeno

6518,59,53 3

AguaLípidosP t í

701512

Composición elemental (%) Composición molecular en tejidos magros (%)

La química del cuerpo humano

NitrógenoCalcioFósforo PotasioAzufreSodioCloroMagnesio

3,31,51,00,40,30,20,20,1

Aluminio, Boro, Cromo, Cobalto, Cobre, Estaño,

ProteínasÁcidos Nucleicos GlúcidosMinerales

122

0,50,5

Cobalto, Cobre, Estaño, Flúor, Hierro, Manganeso, Molibdeno, Selenio, Silicio,Vanadio, Yodo, Zinc

Earl Frieden "The Chemical Elements of Life" Scientific American, 1972

Gillian Pocock, Christopher D Richards “Fisiología humana: La base de la Medicina”, 2ª Edicion, Elsevier, 2005

METABOLISMOHUMANO

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G0�’ = -30.5 kJ·mol-1

ENERGÍA (BIO)QUÍMICA

Trifosfato de adenosina (ATP) Dinucleótido de nicotinamiday adenina (NAD)

ATP ADP Pi

O

NH2

N

NN

NO

HO OH

NO

HO OH

O

P

O

P

O

HOO

OHO

NH2


+

glucosa glucosa-6-P fructosa-6-P fructosa-1,6-diPgliceraldehído-3-P dihidroxiacetona-3-P

HEXOQUINASA

ATP ADP

FOSOGLUCOSAISOMERASA

FOSFOFRUCTO-QUINASA

ATP ADP

ALDOLASA

TRIOSA FOSFATOISOMERASA

GLUCOLISIS: PRINCIPAL FUENTE DE ENERGÍA

1,3-di-P-glicerato

3-P-glicerato2-P-gliceratofosfoenolpiruvato

ADP

ATP

NAD+

+ Pi

NADH

GLICERALDEHÍDO-3-FOSFATO

DESHIDROGENASA

ADPATP

FOSFORGLICERATOQUINASA

FOSFORGLICERATOMUTASA

ENOLASA

PIRUVATOQUINASA

piruvato


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RUTA AERÓBICA: Ciclo de Krebs + Cadena respiratoria/Fosforilación oxidativa

redox

red

NAD+

FADFMN

-0.32 V

-0.20 V -0.20 V

FADH2

2H+

2H+

max.

3 ATPNADH+ H+Piruvato

NADH+ H+NAD+ CO2

redox

redox

redox

redox

CoQ10

Cit b

Cit c

Cit a

+0.06 V

+0.12 V

+0.22 V

+0.29 V

Ener

gía

2H+

CICLO DE KREBS

CADENA RESPIRATORIA+

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

H2OO2+0.82 V

1 ATP

RUTA ANAERÓBICA: Fermentación láctica

Se consume una molécula de NADH+H+


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RENDIMIENTO ENERGÉTICO

Vía ANAERÓBICA (en ausencia de O2)

Vía AERÓBICA (en presencia de O2)

Vía ALÁCTICA (en ausencia lactato)


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USO DE LA ENERGÍA: TEJIDO MUSCULARFibra muscular

Miofibrilla

Sarcómero

Filamento de actinatropomosinatroponina

tallo

actina

cabeza de la miosina

bisagra

Filamento de miosina


SISTEMA ALÁCTICO SISTEMA LÁCTICO SISTEMA AERÓBICO

Duración de la pruebaa < 35” 35” – 2’30” > 3’00”

Pruebaa 50 m libres 100 m braza 1500 m libres

Sistema predominante ATP/ Glucosaó

Glucosaó

SISTEMAS ENERGÉTICOS

Fosfocreatina Glucógeno GlucógenoGrasa

Almacenamiento de energía Músculo Músculo MúsculoSangreHígado

Suministro sangre Ninguno Poco Grande

Necesidad de O2 No No Sí

Factor limitante ATP/Fosfocreatina

Glucógeno O2

aTabla para pruebas de natación


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El conocimiento de la química del organismo puede ayudar a mejorar el rendimiento del deportista

Cuidado de la salud frente a dopaje


¿Qué es el dopaje?

dopaje.(De deportar).1. m. Dep. Acción y efecto de dopar.

dopar.(Del ingl. To dope, drogar).1. tr. Dep. y Med. Administrar fármacos o sustancias estimulantes para potenciar artificialmente el

rendimiento del organismo con fines competitivos. U. t. c. prnl.

Un poco de historia

- Antigua grecia: estimulantes (hidromiel) y relajantes (vino)- Siglo III d.C.: Extractos de plantas, semillas y hongos- Auge a mitad del siglo XIX - Fallecimientos de Knud Jensen en JJ.OO. Roma (1960) y Tom Simpson en el Tour de Francia (1967)

- Implantación controles anti-dopaje: JJ.OO. México (1968)

Terapia vs. Dopaje

Tom Simpsom


CLEMBUTEROL

50 nanogramos/L ó

0’00000000005 gramos/mL

Paracelso (1493-1541) Todas las cosas son venenosas y nada es inócuo. Únicamente la dosis determina lo que no es un veneno.

¿Cómo se proporcionan los datos de sustancias química en un medio?

La actividad biológica debe expresarse de manera adecuada (actividad biológica por mol de sustancia)

Si se habla de moléculas, siempre sale un valor muy alto, pues las moléculas son muy pequeñas y pesan muy poco.

La concentración se expresa en moles. Un mol es un número de Avogadro de partículas.

Numero de Avogadro: aproximadamente 600.000.000.000.000.000.000.000 (un mol), que son las moléculas que hay en 18 gramos de agua o en 277 gramos de clembuterol.

La concentración de clembuterol en la muestra de Contador es 0’00000000018 molar; es decir, 100.000.000.000.000 moléculas por litro.

La concentración es un concepto fundamental en Química

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MÉTODOS DOPANTES

Manipulación farmacológica, física o química

- Tratamiento con fármacos - Alterar muestras para el control de dopaje

- Administración en sangre de glóbulos rojos - Mejora artificial del suministro de oxígeno

Aumento de la transferencia de oxígeno

Dopaje genético

- Uso de técnicas de ingeniería genética sin fines terapéuticos


NandrolonaTestosterona

SUSTANCIAS PROHIBIDAS EN Y FUERA DE COMPETICIÓN

Agentes anabolizantes

Hormonas y sustancias afines

- Naturaleza esteroídica o no esteroídica - Favorecen la síntesis de proteínas y el desarrollo muscular

- GH aumenta la masa y fuerza muscular

- Efecto estimulante con uso prolongado - Incrementan la masa y fuerza muscular

T if

Agonistas 2-adrenérgicosIsoproterenol

Moduladores de hormonas

GH aumenta la masa y fuerza muscular - EPO incrementa el nº de eritrocitos ClembuterolEPO

- Estimulan la producción endógena de testosterona

Tamoxifeno

Furesomida

Diuréticos y otros agentes enmascarantes- Disminución de peso- Ocultan otras sustancias en orina - Alteración de los parámetros hematológicos

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- Mejoran el rendimiento anaeróbico- Reducen la fatiga- Aumentan la glucosa en sangre y liberan grasas

SUSTANCIAS PROHIBIDAS EN COMPETICIÓN

Anfetamina

CocainaEstimulantes

Analgésicos narcóticosM fi

g

Cannabinoides

Glucocorticoesteroides Cortisona

- Reducen la respuesta fisiológica al dolor y esfuerzoMorfina

- Mejoran la autoestima- Potencian la relajación

THC

Cortisona

Prednisona

- Efecto euforizante- Antiinflamatorio- Alivian el dolor


DETECCIÓN POR TÉCNICAS DE QUÍMICA ANALÍTICA

Electroforesis capilarCromatografía


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Los materiales (equipación herrramientas Los materiales (equipación, herrramientas, protectores, instalaciones):

polímeros


Siglo XX: La época de los plásticos (sintético, químico)

Plastico

Macromolécula

Polímero


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Macromoléculas naturales

Caucho (poliisoprenoides)

Carbohidratos (celulosa, almidón)

Proteínas (seda, colágeno, queratina)


Los plásticos son las sustancias sintéticas que han transformado el mundo durante el siglo XX.

Polímero: Sustancia química de alto peso molecular formada

Lo sintético frente a lo natural

q ppor la repetición de diversos fragmentos estructurales (monómeros) que están unidos por enlaces covalente.

Macromolécula: Molécula grande (peso molecular: de varios miles a millones de Daltons)

Generalmente, un polímero está formado por una mezcla de macromoléculas, con una variedad de pesos moleculares. Se habla en este caso de pesos moleculares promedio y una característica importante es la dispersión de pesos moleculares.

Las propiedades de los polímeros dependen de estas dos características.

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Tipos de polímeros (según las propiedades)

Elastómeros

Termoplásticos

�“Termoendurecible�” (thermosetting)

Carácterísticas estructurales de polímeros

Grado de rigidez de las macromoléculas

Interacciones entre cadenas (van der Waals, electrostáticas, enlace de hidrógeno, etc.)

Regiones (dominios) cristalinas de las cadenas

Grado de entrecruzamiento de las cadenas

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Algunos polímeros

BakelitaPolietileno/polipropilenoTeflónCauchoPoliésteres y poliamidasPoliésteres y poliamidas aromáticasPolicarbonatosPoliuretanosCarbohidratos sintéticosPolímeros conductores: Polianilinas y poliacetilenosPolímeros conductores: Polianilinas y poliacetilenosPolímeros biodegradables


Aplicaciones de polímeros

RevestimientosAdhesivosMateriales estructuralesMateriales para ingenieríaMateriales para ingenieríaEnvasadoRopaElectrolitos (baterías)Supercondensadores eléctricosConductoresElectroluminiscenciaMateriales con óptica no-linealSoportes sólidos para síntesis orgánicaBiomedicinaDeportes


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Polímeros para la ropa

HO OHn

+ HO OHm

O O

O

O O

Oxm n

poliésteres

poliamidas

Kevlar

HN O

HNO

O O

n

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Materiales para vestimenta: Gore-TexMaterial compuesto (composite) de polímeros con base de

teflón expandido

Caucho: Elastómeros.

Necesidad de un ligero entrecruzamiento: Vulcanización

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De Yahoo! Eurosport

La Química en las noticias de deportes

La Química en las noticias de deportes


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MUNDIALES DE NATACION (FINA) EN ROMA 2009:Asalto a los cronos

Fuente:

43 WR batidos en 40 pruebas43 WR batidos en 40 pruebas

- Sólo 5 sin traje completo de poliuretano

Dos modalidades permanecen con WR anteriores a la aparición de estos trajes



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NATACIÓN: VETO AL POLIURETANO

El reloj no vuela sin poliuretano

Sólo se ha mejorado un crono europeo de Roma en las 40 especialidades

IGNACIO ROMO Madrid 17/08/2010


La Química en las noticias de deportes¿Es el bañador importante?

El material maravilloso: poliuretano

HHO

HN O

HNO

O O

nNH2 OH


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Estructuras de poliuretanos

HN O

HNO

O O

nn


Estructuras de poliuretanos

HN O

HNO

O O

n

Poliuretano entrecruzado

Poliuretano flexible


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Sistema de refrigeración corporal

Mantiene la temperatura del cuerpo a ~37 ºC

El cuerpo humano es una máquina poco eficiente. Solo el 25% de la energía

consumida se transforma en energía mecánica

1 ºC por cada 5 -8 minutos de ejercicio


Composición del sudor:

95 % agua

5 % electrolitos (sodio, potasio,

cloruro, metabolitos…)

El alto calor específico del agua permite que la evaporación

Mecanismo similar al botijo

de 1 g de sudor libere 0.58 kcal de la piel


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Tejidos ligeros transpirables y aireados

- Porosos- Fibras sintéticas poco higroscópicas(nylon, elastano, poliéster,�…)

Poliester

Elastano

RIGIDEZUretanos, uretano-ureas

- Hasta un 600% de estiramiento de la fibra y recuperación de la forma

ELASTICIDADPoliésteres o éteres de polioles


LA CONQUISTA DE LOS 8000’s

Fuente:


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Tejidos herméticos, térmicos y transpirables

- Alta densidad de fibras (cortavientos)- Microburbujas dentro del tejido- Impermeables

Membranas GORETEX® y THINSULATE®

teflón

TEFLON®

- Politetrafluoroetileno expandido (PTFE)- Estructura microporosa

Imagen del PTFE por microscopia electrónica de barrido (SEM)



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- 98 RON (research octane number)- Se obtiene por comparación con una mezcla

de isooctano y n-heptano de composiciónconocida que produce el mismocomportamiento del motor

GP Corea, 24-oct-2010

Componentes del coche Combustible

Isooctano(2,2,4-trimetilpentano)

n-heptano


MATERIALES IGNÍFUGOS

Nomex® y Kevlar®- No combustionan- Varias capas- Resistencia 12 segundos a 700 ºC

Kevlar (1972)

Nomex

Poliamida como la fibroína de la seda

-[Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly-Ala-Ala-(Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly)8]n-


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MATERIALES DE ALTA RESISTENCIA

Formula 1

KevlarPolicarbonato

Polietileno

Beisbol

Fútbol americano

Formula 1

Ciclismo


SUDÁFRICA 2010, UN MUNDIAL CON QUÍMICA

Los conocimientos químicos especializados han jugado unpapel muy importante. Desde los productos químicosutilizados en la construcción de los estadios paraprecubrir suelos, pasando por los pigmentosespeciales, las materias plásticas de altasprestaciones y los productos químicos para la piel delas botas de los futbolistas, hasta las espumas queabsorben energía para la hierba artificial de últimageneración, en todo ello ha intervenido la Química.(23/07/2010)

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Estadio olímpico Spyridon Louis de Atenas (JJ.OO. Atenas 2004)

TECHOS Y CUBIERTAS DE ESTADIOS Y PABELLONES

Planchas de policarbonato

Estadio olímpico de Tianjin (JJ.OO. Pekín 2008)


SUPERFICIES SINTÉTICAS

Pistas de atletismo: Tartán® y Mondotrack FTX®

En México 1968 se incorpora el tartán a las pistas de atletismo JIM HINES

Tartán: material sintético poroso basado en el poliuretano

Nuevo material Mondotrack FTX en los JJ.OO. Pekín 20089.95�” - 100 m. lisos

USAIN BOLT


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J. F. Stoddart y col., Angew. Chem. Int. Ed. Eng. 1994, 33, 1286-1290

Deporte molecular

J. M. Tour y col., J. Org. Chem. 2003, 68, 8750-8766

Kroto y col., Nature 1985, 318, 162-163

Centenario del Premio Nobel de Q í i M i C iQuímica a Marie Curie

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200º Aniversario de la hi ót i d A dhipótesis de Avogadro

350º Aniversario de la publicación de

�‘El Químico Escéptico�’El Químico Escéptico(Robert Boyle)

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Celebrando el papel de la mujer en la Ciencia


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Codirector: Carlos Miranda

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